純電動汽車延長續航里程的關鍵是什么？

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時間：1900/1/1 0:00:00

“純電動汽車有什么用？”應該有很多讀者有這個問題。

與汽油車相比，電動汽車的運營成本更低，并且不會排放破壞環境的有害物質（二氧化碳和氮氧化物）。電動汽車作為未來的汽車形式，經常成為熱門話題。此外，它還可以在發生災難時用作電源，因此在東日本大地震后，人們的擔憂程度進一步增加。但如果有人問：“你想買嗎？”，很難點頭。目前，電動汽車在街上真的很少見。

消費者猶豫購買的主要原因應該是充電的續航里程太短。例如，2013年8月，日產汽車官網記錄的電動汽車“Leaf”（中國名：Leaf）的官方巡航里程（JC08模式）為228公里。比過去長得多，理想情況下它可以在東京和宇都宮之間旅行。

此外，還有充電基礎設施的問題。如果電池沒電怎么辦？此外，可充電電池在使用過程中會變質。如果不消除這些擔憂，電動汽車將很難普及。

作者不久前碰巧乘坐了一輛電動出租車。幸運的是，作者問出租車司機：“純電動汽車呢？”

“啊，在寒冷的天氣里，電池消耗特別快。供暖似乎消耗了很多電。”

這個答案讓作者有點驚訝。提高電動汽車燃油效率的關鍵在于加熱。自19世紀下半葉發明汽車以來，它已經通過發動機的內燃機制燃燒燃料100多年了，燃燒獲得的能量轉化為動力來驅動汽車。為了防止發動機過熱，我們會一邊開車，一邊通過冷卻裝置進行冷卻，所以我們一直模糊地認為“熱”是一個障礙。但在電動汽車時代，“熱度”變得非常有價值。

隨著電動汽車時代的到來，有一項技術被突顯出來，那就是儲熱技術。盡管作為驅動源的可充電電池也會產生熱量，但與發動機產生的熱量相比，熱量并不大。目前，用于汽車供暖的發動機廢熱的損失意味著需要其他新的熱源來提高電動汽車在冬季的續航里程，而實現這一目標的關鍵技術之一是儲熱技術。

行業目標值為1000kJ/kg

在冬季，為了保持車內一定的溫度，電動汽車的耗電量很容易增加。因為車外空氣和車內空氣之間的溫差可能比夏天更大。例如，當室外溫度低于零度時，為了將室內溫度保持在20℃左右，溫差會超過20℃。當然，夏天的空調也耗電，但如果室內溫度設置為25℃，而室外溫度為35℃，則溫差只有10℃。為了在冬季不消耗太多儲存在可充電電池中的電力，確保新的熱源也是純電動汽車不可或缺的重要技術。因此，許多汽車制造商都非常關注新型儲熱技術的出現。

如果我們能開發出一種具有高儲熱特性的新技術，它將不僅僅涉及電動汽車。家庭和辦公室等夜間用電的供暖和制冷系統有望被廣泛用作全社會的能源對策。

代表儲熱技術特征的指標之一是儲熱密度，儲熱密度是指1公斤材料能儲存多少熱量，單位為“千焦/公斤”。為了在未來用于電動汽車，作為汽車相關行業研發目標之一的儲熱密度在低溫區（0~100℃）為“1000 kJ/kg”。當然，可以使用大量的儲熱材料（介質）來儲存大量的熱量，但如果配備了汽車，最好以盡可能小的重量和體積儲存大量熱量。因此，作為未來的目標，提出了1000kJ/kg的目標值。當然，這不是一個立竿見影的價值，“1000”這個數字只是目前的挑戰目標。

那么，這個數值是多少？以最常見的儲熱材料（介質）“水（H2O）”為例。我們在小學的自然科學課上了解到，“世界上上升和冷卻最慢的物質是水”。事實上，無論是冬天使用的“熱水瓶”還是晚上用電的“冰儲”，都利用了水作為儲熱材料的作用。在低溫地區，水的儲熱密度約為340~400kJ/kg。因此，為了達到1000kJ/kg，需要使用儲熱密度約為水的三倍的材料。

以較輕的重量儲存大量熱能的能力是非常重要的。這和可充電電池是一樣的。如果它能有效地儲存輕重量的熱量，預計將用于有重量限制的汽車和飛機。從我們身邊的例子來看，有斷電后仍然可以使用的冰箱，有隔熱性能優異的房子，有長期隔熱的保溫瓶，還有帶制冷劑的飯盒等等，應用范圍非常廣泛。

實現目標的兩種方法

通過容易地在當地儲存熱量，例如，將家用空調和儲熱材料結合使用，預計可以節省大量電力，并有助于平均功耗。夜間用電制冰或燒水，白天的空調和供暖技術已投入實際使用。據估計，如果熱泵儲熱中心在夜間使用儲熱，可以將白天的最大用電量減少20%。

工業用儲熱材料……

e主要使用潛熱儲存材料。潛熱儲存材料是指在從液體變為固體或從固體變為液體時能夠儲存或釋放熱能的物質。例如，如果你在零下30攝氏度的溫度下放一桶水，水會逐漸結冰。但在它完全凍結之前，桶里的水溫是0℃。換句話說，水會持續釋放0℃的熱能。相反，把一個裝滿冰的桶放在零度以上30℃的溫度下，在冰完全融化之前，桶里的水溫會保持在0℃。水處于連續吸熱（儲熱）的狀態。

除了水之外，還有許多潛熱儲存材料已經投入實際使用。例如，無機水和物質如氯化鈣水和物質，硫酸鈉水和物質、乙酸鈉水和物，以及有機化合物如石蠟。然而，儲熱密度與水的儲熱密度相似。從我們周圍的例子來看，它已經被用于制冷劑、冰枕、冷藏設備等。

那么，儲熱密度為1000kJ/kg的儲熱技術能否實現呢？業內人士此前曾設想過供暖短缺的情況。盡管許多研究機構已經自行開展了很長一段時間的研究，但到目前為止似乎還沒有開發出實用的技術。

有兩種方法可以實現1000kJ/kg的儲熱密度。首先，利用現有的儲熱材料進一步改善其儲熱特性。二是開發新型儲熱材料。

前者，即改善現有儲熱材料特性的方法，目前正在多方面進行研究。例如，德國研究機構Flawn的Fraunhofer研究所正在與德國的ZeoSys合作，開發一種將沸石和水結合使用的儲熱技術。目前，主要設想將發電設施排放的熱量作為水儲存在水箱中。與只使用水相比，沸石可以儲存3~4倍的熱量。這意味著儲熱容器的尺寸可以減小到僅使用水時的尺寸的大約1/4。沸石是一種具有巨大表面積的多孔礦石。1g沸石顆粒的表面積達到1000m2。沸石顆粒利用巨大的表面積對水蒸氣進行強烈吸附。水蒸氣通過物理化學反應轉變為水時損失的熱量轉移到沸石上，沸石的溫度不會像只使用水時那樣升高。因此，長時間儲存熱量應該很容易。

盡管基本原理之前已經廣為人知，但它實際上并沒有被用作儲熱技術應用的例子。研究團隊最初使用1.5升和15升的容器來驗證儲熱過程的可能性。目前，正在以750L L的規模進行成本削減實驗。這項技術可以長期節能，經過數千次循環后沒有發現變質，并且不排放有害物質。這些優勢備受期待。

混合開發競爭

此外，從同樣的角度來看，許多研究機構正在開發利用納米技術將儲熱材料加工成細顆粒，并將其附著在具有微孔的材料上的技術。

此外，也有觀點認為，僅通過改進現有的儲熱材料很難大幅改善特性。為了取得根本性突破，提高儲熱材料本身的性能是一條捷徑。如果我們能夠開發出特性大大超過現有儲熱材料的新材料，有望一舉降低儲熱技術的整體成本。因此，作為一種研究和發展趨勢，新型儲熱材料的研究日益興起。

例如，不再使用以前主流的潛熱儲存材料型儲熱技術，而是使用通過化學反應加熱和吸收熱量的“化學反應型”模式。化學反應儲熱利用伴隨熱量產生和熱量吸收的可逆化學反應。儲熱采用吸熱反應，散熱采用放熱反應。其優點是儲熱密度高，在一定溫度下產生熱量，如果將反應物質分離，則易于儲存。

在我們周圍的物質中，一個有代表性的例子是在運動場上劃線時使用的水合鈣（熟石灰）。如果氧化鈣水合物被加熱……

它會產生氧化鈣（生石灰）和水。相反，向氧化鈣中加水會產生熱量，生成水合氧化鈣。這種化學吸熱和放熱反應預計將用于儲熱。

氧化鈣也是一種常用的食品干燥劑。這種干燥劑加水后會很快變熱，因此干燥劑上有“請勿接觸水”的提醒。干燥劑是在從水中分離出氧化鈣后密封的，有時用來加熱便當和罐裝日本葡萄酒。氧化鈣與水的反應熱為1500kJ/kg。許多觀點認為，如果柔性控制反應機制能夠付諸實踐，這將是一個重大突破。

此外，東京大學和麻省理工學院（MIT）的聯合研究團隊也積極開發材料，例如利用分子動力學模擬來設計儲熱材料。此外，在最近的1~2年里，與熱傳導的重要元素“聲子”（稱為音韻學研究領域）相關的研究突然活躍起來。除了儲熱，包括隔熱和散熱在內的熱管理研究也在與日俱增。在這些研究中，可能會誕生超越以往技術的儲熱技術。

總之，無論哪種方式，我們都在積極推動尚未建立的技術的研發。對全球技術趨勢非常敏感的歐美風險企業也在獨立推進研發。不難想象，圍繞儲熱技術將展開激烈的技術競爭。

在不久的將來，如果正在進行的研發成功，人們對電動汽車巡航里程將因加熱和冷卻問題而大幅縮短的擔憂將減少。儲能技術不僅是推動電動汽車普及的大好機會，而且將成為與儲能技術相結合解決能源問題的核心技術。“純電動汽車有什么用？”應該有很多讀者有這個問題。